Elektros sistemos ir elektrinės

Elektros sistema

Energetikos sistema nėra vien organizacija ar institucija. Energetikos sistema – tai gigantiška, labai sudėtinga žmonių sukurta mašina, skirta apsirūpinti elektra, kartais ir šiluma. Ją galima pavadinti sudėtingu dirbtiniu milžinišku organizmu, kuris kartais apima visą valstybę ar net kelias valstybes, o kurio veikimą apsprendžia ne tik fizikos dėsniai, bet ir ekonomika, politika bei teisinė sistema.

Energetikos sistemų formavimas prasidėjo dvidešimto amžiaus antrame dešimtmetyje, kai siekiant elektros tiekimo didesnio veiksmingumo ir patikimumo elektrinės pradėtos sujungti elektros tinklais. Energetikos sistemas sudaro elektrinės, kurios gamina elektrą, elektros perdavimo linijos, kuriomis elektra perduodama dideliais atstumais, elektros skirstymo linijos, kuriomis elektra iš perdavimo tinklų ir mažų elektrinių tiekiama vartotojams, pastotės, kurios sujungia elektros linijas, o dažnai ir pakeičia (transformuoja) įtampą, valdymo (dispečeriniai) centrai, kurie koordinuoja visų sistemos komponentų darbą ir informacinės sistemos, kurios aprūpina elektros sistemos valdymo centrus reikalinga informacija.

Lietuvoje eksploatuojamų elektrinių įrengtoji galia surašyta 1 lentelėje.

Energetikos sistemos elektrinė dalis įprasta vadinti elektros sistema, t.y. elektros sistemoje laikoma, kad joje elektrinę atstovauja tik jos elektrinė dalis, kurioje svarbiausia – elektros generatoriai Taigi, elektros sistemų esminiai komponentai – elektrinės, sujungtos elektros perdavimo tinklais, iš kurių elektra skirstomaisiais elektros tinklais pasiekia vartotojų įrenginius, elektrą paverčiančius šviesa, šiluma, mechaninę energija ir t.t.

Elektrinėse organinio (iškastinio - anglies, naftos, dujų), branduolinio kuro, ar krintančio vandens energija elektros generatoriuose paverčiami elektra. Dabar vis plačiau elektrai gaminti pradedamas naudoti tiek netradicinis kuras, tiek netradicinės technologijos. Vis daugiau elektros gaminama vėjo, saulės elektrinėse, elektrinių kuru naudojama biomasė (mediena, šiaudai), įvairios atliekos. Platesnį pritaikymą randa kuro elementai, kuriuose kuro cheminė energija tiesiogiai paverčiama elektra.

Elektrinių generatoriai paprastai gamina 50 Hz (hercų) (kai kur 60 Hz) dažnio kintamą elektros srovę nuo 6 iki 30 kV (kilovoltų) įtampos. Elektros sistemoje visų dirbančių generatorių dažnis yra tiksliai sinchronizuotas. Generatoriai turi automatinius įtampos reguliatorius, kurie valdo įtampą, ir greičio reguliatorius, kurie priderina generatorių generuojamą galią prie besikeičiančių elektros sistemos sąlygų (apkrovos), ir taip palaiko visoje elektros sistemoje tą patį dažnį.

Kintamos elektros srovės tinkluose be aktyviosios galios (vatų), kuri virsta šviesa elektros lempose, ar suka elektros variklius, reikia kartu perduoti ir reaktyviąją galią (varus), kuri darbo neatlieka (anksčiau vadinta “bevate” galia), tačiau ji reikalinga reguliuoti, ar palaikyti reikiamą įtampą atskiruose elektros tinklų mazguose.

Elektros perdavimo linijos elektrą iš elektrinių perduoda į skirstomuosius elektros tinklus. Elektros perdavimo linijos dažniausiai būna oro, o siekiant jose sumažinti energijos nuostolius, jų įtampa būna aukšta (60 -230 kV), ar labai aukšta (nuo 330 kV iki 1150 kV). Lietuvoje elektros perdavimo tinklų įtampa 110 kV ir 330 kV. Elektros perdavimo linijos su pastotėmis (transformatoriais ir skirstyklomis), kuriose sujungiamos elektros linijos, sudaro perdavimo elektros tinklus.

Perdavimo tinklais elektra kiekvieną jų mazgą gali pasiekti keliais takais, t.y. elektros linijos sudaro uždarus kontūrus (kilpas). Generatorių įtampą transformatoriai pakelia iki perdavimo elektros tinklų įtampos lygio arba sumažina iki skirstomojo elektros tinklo įtampos, dažniausiai, mažesnės kaip 60 kV (Lietuvoje – 35 kV ir žemesnės). Skirstomųjų elektros tinklų elektros linijos būna tiek oro, tiek kabelių (dažniausiai požeminių). Skirstomaisiais elektros tinklais elektrai tėra tik vienas takas iki elektros imtuvo, t.y. jie kontūrų neturi, arba kitaip sakant, yra atviri - spinduliniai (radialiniai).

Specialiems tikslams ir ypatingomis aplinkybėmis elektra gali būti perduodama ir nuolatine srove bei labai aukštos įtampos kabeliais.

Elektros sistemos komponentų darbą koordinuoja elektros sistemos valdymo (dispečerinis) centras. Tam tarnauja gausybė įrangos ir procedūrų. Stebėsenos ir telekomunikacijos įranga nuolat teikia informaciją valdymo centrui apie generatorių elektros gamybą ir energetikos sistemos darbo sąlygas. Kompiuteriniai analizės ir duomenų apdorojimo įtaisai bei programinė įranga kartu su inžinerine ekspertize nustato, kaip dirba generatoriai, elektros perdavimo linijos, reguliatoriai, komutaciniai įrenginiai ir kiti prietaisai, kuria iš tiesų valdo elektros generatorius ir elektros linijas, taip palaikydami generuojamos elektros energijos galios ir suvartojimo balansa – dažnio sinchronizavimas.

Elektros sistemos turi keletą technologinių ypatumų, kurie išskiria jų darbą iš kitokių veiklų

• Elektros gamyba ir vartojimas praktiškai vyksta tuo pat metu - elektros sistemose praktiškai neįmanoma sukaupti elektros (gamybos) atsargų. Todėl elektros sistemos kiekvienu momentų reikia gaminti tik tiek elektros, kiek jos tuo momentu pareikalauja vartotojai. Ir atvirkščiai, elektros vartotojai kiekvienu momentu gali suvartoti tik tiek elektros, kiek tuo momentu gali pagaminti elektrinės. Pg=Pv+∆P
• Elektros sistemose procesai vyksta labai greitai, kai kurie - beveik šviesos greičiu. Tokius procesus gali valdyti tik automatiniai įtaisai. Dėl to elektros sistemos yra labiausiai automatizuota ūkio dalis.
• Elektros sistemų objektai, dalyvaujantys bendrame technologiniame procese, yra toli vieni nuo kitų - per dešimtis ar net šimtus kilometrų. Todėl elektros sistemų valdymo procesas yra komplikuotas.
• Elektros paklausa nuolat auga, o apsirūpinimas elektra lemia tiek ūkio pažangą, tiek visuomenės gyvenimo kokybę. Nuolat augančiai elektros paklausai patenkinti reikia naujų pajėgumų bei esamų atnaujinimo. Elektros sistemų projektų įgyvendinimas trunka per dešimtmetį, o elektrinių darbo amžius siekia 40-60 metų. Todėl elektros sistemų plėtroje reikia numatyti tolimą perspektyvą ir jų plėtra turi laike lenkti ekonomikos augimą, kad netaptų pažangos stabdžiu.

ELEKTROS SISTEMOS SANDAROS APŽVALGA

Paprasčiausia elektros sistema – dvi elektros tinklu sujungtos elektrinės (generatoriai) 1 pav. Elektros sistemų kūrimosi procesas pasaulyje, kaip minėta, prasidėjo dvidešimto amžiaus pradžioje. Lietuvoje tik 1956 m.110 kV elektros linija per Panevėžį buvo sujungtos Petrašiūnų (61 MW) ir Rėkyvos (12,8 MW) elektrines. Tai - Lietuvos energetikos sistemos kūrimo pradžia.

Daugiausia elektros gaminama naudojant iškastinį (organinį) ir branduolinį kurą bei krintančio vandens energiją. Deginamas iškastinis kuras ar branduolinis kuras gamina garą, o garas suka turbinas, sujungtas su generatoriais, kuriuose mechaninė energija paverčiama elektra. Tokios elektrinės vadinamos kondensacinėmis 2pav. arba termofikacinėmis 3pav. Hidroelektrinėse turbinas suka krintantis vanduo, o dujų turbinų elektrinėse turbinas suka sudegusio kuro dujos ir jų įkaitintas suspaustas oras.

Tradiciniai elektros generatoriai gamina 50 Hz trifazę sinuso formos kintamą elektros srovę, kurios įtampa tarp fazių būna nuo 6 kV iki 30 kV. Daugumoje pasaulio šalių naudojama 50 Hz srovė. Tik Šiaurės Amerikoje, Australijoje, dalyje Japonijos ir kai kuriose kitose šalyse srovės dažnis yra 60 Hz.

Elektros energija gaminama elektrinėse, kuriose įvairaus pavidalo gamtinė energija (saulės, branduolinė, kuro, geoterminė, hidro, vėjo, vandenilio…) keičiamos elektros ir šilumos energiją. Priklausomai nuo naudojamos energijos elektrinės skirstomos:

v     TERMOFIKACINĖ ENERGIJOS GAMYKLA (TPP)

v     KOGENERACINĖ (CHP)

(combined heat and power )

v     TRIGENERACINĖ (EHC)

(electricity, heat and cooling power)

v     KONDESACIN

(stem turbine power)

v     HIDRO-ELEKTRINĖ (HPP)

v     VĖJO-ELEKTRINĖ (WPP)

v     GEOTHERMINĖ

(heat for electricity generation)

v     BRANDUOLINĖ (NPP)

v     SAULĖS (SPP)

Didžiausias naudingo veikimo koeficientas h pasiekiamas energiją gaminant kombinuotuoju ciklu.

Elektrinės su garo turbinomis skirstomos į kondensacines ir termofikacines.

Kondensacinės elektrinės (KE) naudoja iškastinį, dažniausiai kietą kurą aukšto slėgio garo gamybai. Gamybos proceso schema pavaizduota 2 pav. 400-650 ⁰C temperatūros, 30-220 atm. slėgio garai tiekiami į turbiną, kuri suka generatorių. Turbinos h priklauso nuo slėgių skirtumo turbinoje, dėl to stengiamasi sumažinti išeinančių garų slėgį (0,04-0,03)atm. Tokių elektrinių h yra nedidelis, apie 25-40 %, todėl eksploatacija tikslinga kur yra vietinio kuro.

Kuras pristatomas į sandėlį iš kurio tiekiamas į bunkerį, o iš jo paduodamas į kūryklą. Sudegusio kuro dujos išeina per dūmtraukį, kuriame įrengiamas ventiliatorius garantuojantis dujų pašalinimą, kintant atmosferos slėgiui. Garai iš katilo paduodami į turbiną, o išėję iš jos aušinami kondensatoriuje, naudojant vandenį iš cirkuliacinio siurblio. Kondensatą siurblys paduoda į maitinimo baką iš kurio siurblys vėl jį tiekia į katilą. Turbina su generatoriumi sudaro bloką - įrenginį. Dažniausiai montuojami keli įrenginiai. Generatoriaus išėjime yra skirstomieji įrenginiai ir aukštinantysis transformatorius, kuris tiekia elektros energiją į elektros perdavimo linijas EPL. Vartotojai maitinami iš skirstomųjų įrenginių, o stambūs pramoniniai vartotojai gali turėti savus generavimo, perdavimo ir skirstomuosius įrenginius.

Termofikacinėse elektrinėse (TE) be elektros tiekiama ir šilumos energija. Tokios elektrinės schema pavaizduota 3 pav. Nuo 2 pav. ši schema skiriasi tuo, kad dalis išeinančio garo kaitina katilą, kuriame yra vamzdynas su cirkuliuojančiu karštu vandeniu. Šio vandens siurblys šį vandenį tiekia šiluminės energijos vartotojams. TE, palyginus su KE, sumažėja šilumos nuostoliai, kurie atsiranda aušinant cirkuliacinį vandenį, todėl TE h siekia 60-70%.

Atominėse elektrinėse (AE) naudojamas branduolinis kuras, kuris vykstant urano branduolių skilimo grandininiai reakcijai atominiuose reaktoriuose išskiria didelį šiluminės energijos kiekį.

AE skiriasi nuo ŠE tuo, kad vietoj katilinės yra atominis reaktorius. Jame išsiskirianti šiluminė energija įkaitina keraminiuose vamzdžiuose šilumos nešiklį. Tarp garo katilo ir reaktoriaus vamzdynais cirkuliuoja didelę šiluminę talpą turintys lengvieji metalai K, Na. Šį metalą varinėja uždaru kontūru siurblys veikiantis magneto-hidrodinaminio variklio principu. Tokio variklio trifazė apvija kuria slenkamąjį magnetinį lauką atitinkantį sukamąjį magnetinį lauką asinchroniniame variklyje. Šis laukas skystame metale indukuoja evj. sukuria sroves tekančias skystame metale, kurių sąveikoje su pirminiu slenkamuoju magnetiniu lauku sukuriamas slėgis varantis skystą metalą.

AE privalumai lyginant su kitomis elektrinėmis:

Nedidelis branduolinio kuro kiekis reikalingas elektros energijos gamybai. 30g. urano pakeičia 100t. anglies ir su tokiu kiekiu 5 MW elektrinė gali dirbti visą parą.

AE galime statyti bet kurioje vietoje.

Nereikalingas transportas ir didelės kuro saugyklos.

Didelės investicinės, tačiau mažos eksploatacinės išlaidos

Šiuolaikinių šiluminių bei atominių elektrinių generatorių vardinė galia būna nuo kelių dešimčių megavatų (MW) iki beveik 1500 MW, o hidroelektrinių – iki 800 MW. Elektrinių generatorių agregatai turi jų sukimosi greičio reguliatorius, kurie, kintant apkrovai, palaiko elektros sistemoje pastovų srovės dažnį, ir automatinius įtampos reguliatorius, kurie palaiko nustatytą įtampą ant generatoriaus gnybtų ar elektrinės šynų. Kai dažnis 50 Hz, šiluminių ir atominių elektrinių generatorių sukimosi greitis yra 3000 (arba 1500) aps./min., o kai dažnis 60 Hz –3600 (arba 1800) aps./min. Hidrogeneratorių sukimosi greitis yra daug mažesnis, todėl 50 Hz gauti generatoriai turi daugiau nei vieną polių porą.

Hidroelektrinės (HE) galia priklauso nuo viršutinio ir žemutinio bjefo vandens lygių skirtumo ir debito, vandens kiekio pratekančio visomis turbinomis per laiko vienetą. Šiuolaikinių HE naudingumo koef. h siekia 85%. HE privalumai lyginant su ŠE yra šie:

1. Paprastesnis elektros energijos gamybos procesas.

2. Didesnis h

3. Elektros energijos savikaina apie 5 kartus mažesnė.

Tačiau HE statybos kaina yra didelė ir ilgi statybos terminai. HE vandens srauto energiją keičia mechanine energija hidraulinė turbina, kuri suka hidrogeneratorių ir yra gaminama elektros energija. Vienos HE turi vagoje įrengtas turbinas, kitos užtvankines, kai slėgis sudaromas įrengiant užtvanką, pakeliant vandenį į viršutinio bjefo lygį. Kitoje užtvankos pusėje susidaro apatinis bjefas.

Vaginės elektrinės pastatas su jame įrengtais hidro įrenginiais yra užtvankos tąsa ir kartu su užtvanka pakelia vandenį. Užtvankinės elektrinės pastatas yra užtvankoje.

Hidro turbinoms skirtas vanduo praeina šiukšlių sulaikymo groteles, spiralinę kamerą, hidraulinę turbiną ir siurbimo vamzdį. Potvynių vanduo nuleidžiamas per specialius vandens nukreipimo vamzdžius, esančius tarp turbinų kamerų.

Derivacinėse elektrinėse slėgio aukštis sudaromas derivacija (vandens nukreipimas nuo pagrindinės vagos, tvenkinio ar kito vandens telkinio, kad HE padidėtų vandens slėgio aukštis arba siurblinėje sumažėtų kėlimo aukštis). Panaudotas vanduo leidžiamas į upę arba tolesnę derivacinę elektrinę. Derivacija apsimoka kai upės nuolydis didelis.

Hidroakumuliacinės elektrinės naudojamos staigiems elektros energijos poreikiams patenkinti, apkrovų pikams išlyginti. Sumažėjus sistemos apkrovai siurbliai pumpuoja vandenį į viršutinį baseiną, o didžiausios apkrovos valandomis sukauptas vanduo tiekiamas hidro įrenginiams, kurie gali dirbti ir kaip siurbliai.

Vėjo elektrinės yra nedidelės galios 1 iki 5 MW, todėl norint gauti daug elektros energijos reikia didelio montavimo aukščio ir vėjo generatorių skaičiaus. Lietuvoje yra atlikti vėjo stiprumo tyrimai iš kurių matome, kad tikslingiausia vėjo elektrines statyti pajūrio zonoje ir iš dalies Rytų Lietuvoje nuo Panevėžio iki Trakų. Kai kurios pajūrio šalys pvz. Danija, Vokietija yra pastačiusios daug vėjo elektrinių.

Dabar vis sparčiau plėtojama ir gausybė netradicinių elektros gamybos technologijų. Pirmiausia – tai termofikacinės (kogeneracinės, angliškai – cogeneration heat and power, trumpinama - CHP) elektrinės, kurios gamindamos elektrą, kartu tiekia šilumos vartotojams šilumą garu ar karštu vandeniu.

Kitose, dujų ir garo, vadinamomis kombinuoto ar binarinio ciklo (combined cycle), elektrinėse deginamo kuro dujos ir jų įkaitintas suspaustas oras suka dujų turbiną su elektros generatoriumi, o iš turbinos karštos dujos eina į katilą (garo generatorių), kurio pagamintas garas suka garo turbiną su kitu elektros generatoriumi. Tiek termofikacinėse, tiek dujų ir garo (kombinuoto ciklo) elektrinėse kuro energija yra geriau naudingai panaudojama nei tradicinėse (kondensacinėse) šiluminėse elektrinėse (didesnis NVK).

Pasaulyje vis daugiau elektrai gaminti naudojami atsinaujinantys energijos ištekliai: vėjo, saulės (saulės elementai elektros energijos gamybai gali panaudoti iki 57 % iš saulės spindulių bangų spektro), biomasės (šiaudai, medžio atliekos) ar komunalinių atliekų energija. Kartu tobulinami ir kuro elementai, kuriuose vandenilio ar daug jo turinčių dujų cheminė energija tiesiogiai verčiama į elektrą, aišku - nuolatinės srovės. Elektrai gaminti naudojama ir žemės šilumos (geoterminė) energija, potvynių-atoslūgių  energija. Kol kas iš atsinaujinančių energijos išteklių (išskyrus vandenį) gaminama nedaug elektros, tačiau laukiama, kad po 30-40 metų netradiciniais būdais pagaminta elektra sudarys pastebimą dalį bendrame energijos balanse.

Kuro elementai (Fuel cells) yra elektrocheminis įrenginys kuriame vyksta vandenilio ir deguonies jungimosi reakcija, o atsipalaiduojanti energija iš karto paverčiama elektros energija, o ne šiluma.

Taigi, iš principo – kuro elementai yra ta pati visiems įprasta, baterija. Skirtumas tik tas, kad baterija “išsenka“, o kuro elementai – ne, kadangi jiems yra pastoviai tiekiamas kuras.

Tai kogeneracinis įrenginys, kadangi likutinis reakcijos produktas be vandens yra ir šiluma.

Fundamentalius elektrocheminius principus, kuriais grindžiamas kuro elementų darbas, 1839 m. atrado Velso mokslininkas Viljamas Grovė (Wiliam Grove). Tačiau realiai medžiagos ir technologijos, tinkamos praktiniam taikymui, buvo sukurtos tik XX amžiaus antrojoje pusėje, kuro elementus pritaikant kosminėje pramonėje. Būtent NASA mokslininkai pasirinko kuro elementus, kaip elektros generavimo kosminiuose laivuose alternatyvą brangioms saulės baterijoms ir pavojingoms branduolinėms technologijoms.
Čia kuras yra vandenilis, gamtinės dujos, metanolas ar kiti angliavandeniliai. Procesas švarus (vieninteliai likutiniai produktai yra vanduo ir šiluma) ir tylus (nėra jokių judančių dalių arba degimo proceso). Kuro elemento efektyvumas gerokai didesnis nei šiluminių procesų, nes jo neriboja termodinamikos dėsniai. Labai nedideli yra šių įrengimų aptarnavimo kaštai.

Kuro elemento veikimo principas parodytas žemiau pateiktame pavyzdyje:

Kuro elementų efektyvumas yra daug didesnis, nei tradicinių elektros gamybos būdų. Jėgainių su kuro elementais efektyvumas jau dabar yra 50-65%, o ateityje tikimasi, kad efektyvumas viršys 85%.
Kuro elementai leidžia tiesiogiai generuoti elektros energiją, vykstant katalizinėms elektrocheminėms reakcijoms, pvz., vandenilio oksidacijai ant anodo ir deguonies redukcijai ant katodo, pernešant protonus per laidžią membraną.